玄武岩纤维对水泥稳定铣刨料抗压强度和干缩性能的影响

邹啟东，徐良军，金鑫，贾致荣

(1. 山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255049；2. 山东鲁中公路建设有限公司，山东 淄博 255000；3. 山东理工大学 建筑工程学院， 山东 淄博 255049)

随着我国公路事业的不断发展，早期修建的公路到了该大中修和改扩建的阶段。部分道路需要将结构层全部挖除，这将产生大量的废料，仅仅旧水泥稳定碎石的废弃量每年就超过900万t。而将纤维掺入到水泥稳定铣刨料中不仅能够改善水泥稳定碎石材料的综合性能，又能提高铣刨料的利用率，降低废料对环境的污染，大大减少了对天然砂石的开采，将给社会带来巨大的环境效益和经济效益。

水泥稳定碎石基层是我国高等级公路基层和底基层应用最广泛的一种结构形式。在道路材料再生利用方面，我国现阶段对沥青面层的冷再生利用研究已经日趋成熟，对水泥稳定铣刨料的利用研究相对较少。杨俊等[1]对再生集料性能的研究结果表明,再生集料各项主要指标都达到了路面基层对材料性能的要求。高磊等[2]对水泥稳定铣刨料粗集料的物理和力学性能进行了评价，结果表明：水泥铣刨料粗集料满足二级及二级以下公路水泥稳定碎石的底基层粗集料的主要指标要求。林通等[3]研究了水泥稳定沥青路面铣刨料力学性能影响，结果表明：掺入新碎石有助于提高混合料的强度和模量,在使用合理的情况下,水泥稳定沥青路面铣刨料的强度能够满足除特重交通以外的路面基层要求。唐伯明等[4]的结果表明：集料的棱角性与粒径大小具有一定的相关性；随着粒径的增大,球形度增大,粗糙度下降;再生沥青混合料的高温稳定性与再生集料的棱角性线性相关。肖杰等[5]研究了水泥稳定砖与混凝土再生集料的基层特性，试验结果表明:随再生集料掺量的增加,混合料的最大干密度和最佳含水率分别呈近似线性减小和增大;通过路用性能试验和现场试铺证明了砖与混凝土再生集料用作半刚性基层材料是可行的。但随着铣刨料的掺加，也对水泥稳定碎石混合料的收缩性能有些负面影响，比如邹桂莲等[6]的研究结果表明，与天然集料相比，掺加再生集料的水泥稳定再生碎石强度提高，可以达到路面基层、底基层的强度指标要求，但水泥稳定再生碎石的收缩显著增大，可达到天然集料稳定材料的1.7～2.5倍。因此，通过一些物理或化学方法对铣刨料的路用性能进行改善研究具有重要的意义。刘陵庆[7]通过化学活化的方法可显著降低再生集料的压碎值和吸水率。Han等[8]将土工合成材料用于改善道路再生集料力学性能和耐久性能。Li等[9]将废食用油用来改善水泥稳定碎石的开裂性，并用于工程路段试验，现场测试应用表明，废食用油改性水泥稳定碎石路基是公路建设的可接受且经济的替代方案。Katkhuda等[10]采用玄武岩纤维和酸处理的方法改善再生混凝土集料的力学性能。结果表明:采用短切玄武岩纤维可使混凝土混合料的抗压强度得到最小程度的提高，但能显著提高其抗折和劈裂抗拉强度。付鲁鑫等[11]对酸处理前后铣刨料的各项性能指标进行了试验测定,并通过工程应用，得出结论：经0.1 mol/L盐酸处理的铣刨料其力学与物理性能得到改善。韦佑波等[12]通过研究玄武岩纤维在沥青混合料中的作用机理，得出结论：玄武岩纤维的加入显著提高了动态蠕变试验沥青混合料的流变次数,其对混合料动稳定度有明显的增强作用。Ayuba等[13]和Branston等[14]通过研究玄武岩纤维在混凝土中力学性能，得出结论：在一定的纤维体积掺量情况下，纤维能最大程度的提高抗压强度和劈裂强度。综上所述，玄武岩纤维掺入到混凝土和沥青混合料中的物理力学性能有良好的改善作用，但是关于玄武岩纤维在水泥稳定碎石基层中的应用方面研究较少。

为了加强对水泥稳定铣刨料的回收利用和路用性能的改善效果研究，本文采用水泥稳定铣刨料、天然集料和玄武岩纤维为试验用料，然后通过正交试验对玄武岩纤维水泥稳定铣刨料的最佳纤维体积掺量、长度和铣刨料掺量的影响次序和最佳掺配比例进行研究，最后与不掺纤维的水泥稳定铣刨料和普通水泥稳定碎石进行不同龄期的对比试验，评价玄武岩纤维对水泥稳定铣刨料的抗压强度和干缩性能的增强效果。

1 原材料

1.1 玄武岩纤维

试验选用的玄武岩纤维经过多家对比，选取由浙江海宁安捷复合材料有限公司所生产的短切玄武岩纤维，纤维的技术性能指标见表1。

表1 玄武岩纤维(BF)的主要性能技术指标Tab. 1 The main performance and technical indicators of BF

1.2 集料

试验采用的天然集料为石灰岩，规格为0～5 mm石屑、5～10 mm碎石、10～20 mm碎石和20～30 mm碎石。采用的铣刨料为维特根W2000铣刨机对山东省沂源县人民西路道路改造铣刨得到的水泥稳定铣刨料。对试验采用的天然集料和铣刨料进行筛分分别得到粒径19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、0～4.75 mm四种规格的集料，根据JTG/E42—2005《公路工程集料试验规程》分别测得天然粗、细集料和铣刨粗、细集料的技术性能指标，并与规范中对二级及二级以下公路基层粗、细集料规范要求值比较，其结果见表2、表3。对比发现铣刨粗集料的吸水率略高于规范要求值，这是由于铣刨料在铣刨料在破碎过程中会产生一定量的微裂缝，且铣刨料表面包裹着一定数量的质量较轻，比表面积大且孔隙率大、吸水率较高的砂浆所导致的，而铣刨料的指标基本满足规范要求值，整体而言，说明铣刨料仍然具备良好的物理力学性质，仍然具有一定的利用价值。

表2 铣刨粗集料与天然粗集料物理性能指标对比Tab. 2 Comparison of physical properties between milled coarse aggregate and natural coarse aggregate

表3 铣刨细集料与天然细集料技术指标对比Tab. 3 Technical index comparison between recycledfine aggregate and natural fine milling

1.3 水泥

水泥采用山东铝业集团生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，根据规范对水泥的凝结时间、强度等技术指标进行测试，与规范GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》中对水泥要求的各项指标进行对比，对比结果见表4。

表4 水泥技术指标试验结果Tab.4 Test results of cement technical indicators

2 试验方案

2.1 混合料的级配

为了尽量减少级配对混合料性能的影响，统一采用悬浮密实型结构并选取一种级配组成。将铣刨料和天然集料进行筛分，根据规范规定的上下限调节集料的级配，使其接近级配中值，集料的合成级配见表5，其中粗集料约占70%，细集料约占30%。

表5 集料的级配组成Tab.5 Gradation composition of aggregates

2.2 试验设计

设计正交试验，选择A(纤维掺量，体积分数)、B(纤维长度)、C(铣刨料掺量，质量分数)作为主要影响因素，每个因素选择三个水平，根据选择的因素和水平，制作了因素—水平表(表6)，3因素3水平试验且不考虑因素之间的交互作用，确定L9(34)正交表来安排试验，确定9组试验试件，并加1组普通水泥稳定碎石试件做对比，正交试验表见表7。试验考察的性能指标为：7 d无侧限抗压强度、7 d干缩系数。

表6 因素—水平表Tab.6 Factor-level Table

在表6中，当C含量为0时，集料为30%天然细集料+70%天然粗集料；C含量为30%时，集料为30%铣刨细集料+70%天然粗集料；C含量为70%时，集料为30%天然细集料+70%铣刨粗集料；C含量为100%时，集料为30%铣刨细集料+70%铣刨粗集料。水泥剂量统一采用5%。通过击实试验确定最佳含水率和最大干密度时，确定不同铣刨料的掺量的最佳含水率和最大干密度。击实试验结果见表7。

表7 击实试验结果Tab.7 Result of beating

根据正交试验得到的关键设计参数，对比研究玄武岩纤维水泥稳定铣刨料(FCRA)、水泥稳定铣刨料(CRA)、水泥稳定碎石(CNA)的7 d、28 d、90 d抗压强度和干缩性能的变化特征。三组试验方案中，第一组为玄武岩纤维水泥稳定铣刨料，其纤维掺量为0.8‰，纤维长度为25 mm，铣刨料掺量为30%，即正交试验所确定的参数；第二组为水泥稳定铣刨料，即不掺纤维，铣刨料掺量为30%；第三组为普通水泥稳定碎石，是全部天然集料的水泥稳定碎石。其最佳含水率和最佳干密度的确定参照上述表7的击实结果，试验的其他原材料与前期试验相同。

3 试验方法

3.1 试件的制备及养护

根据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中要求对粗粒土制备φ150 mm×150 mm的圆柱形试件和100 mm×100 mm×400 mm的长方体试块，成型方法采用静力压实法制备，成型过程中装模的质量根据击实试验的得到的最大干密度和最佳含水率确定，压实度为98%。试件均在温度为(20±2)℃，湿度为98%的标准环境下养生，并在养生期最后一天按照规范要求放入恒温水槽中进行浸水养护。

3.2 测试方法

试验方法依据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行，其中击实试验方法参照T 0804—1994中丙法进行电动击实试验；无侧限抗压强度试验方法参照T 0805-1994无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法进行，养生龄期为7 d、28 d、90 d；干缩试验参照T 0854-1994中无机结合料稳定材料干缩试验方法对试块进行测试, 在试验开始后的前7 d，每天记录千分表的读数和试块标准质量，在7～30 d范围内每2 d记录一次，30 d以后只记录40 d、50 d、60 d、70 d、80 d、90 d数据。

4 试验结果及分析

4.1 正交试验结果

采用上述的试件制备以及试验测试方法得到试验结果，正交试验表及结果见表8。

表8 正交试验结果Tab.8 Orthogonal test plan and results

4.2 试验结果直观分析

(1)

Rj=max{K1j,K2j,K3j}-min{K1j,K2j,K3j}。

(2)

表9中，极差R值越大，说明该因素对试验指标的影响就越大，极值的大小可看出因素所起作用的大小。由表9可得出以下结论：

1)由极差的大小可知，对于玄武岩纤维水泥稳定铣刨料的抗压强度和干缩系数，各因素的影响顺序均为：铣刨料掺量→纤维掺量→纤维长度，其中铣刨料掺量对抗压强度和干缩强度的影响最大，远大于其余两项，其次为纤维掺量，纤维长度对两个试验指标的影响较小。

表9 正交试验结果直观分析Tab.9 Visual analysis of orthogonal test results

2)在三个因素的影响下，玄武岩纤维水泥稳定铣刨料的7 d抗压强度、7 d干缩强度的最优配比均为A2B3C1，各因素对试验指标的影响如图1、图2所示，可以看出铣刨料掺量对混合料强度和干缩性能起主要作用，在铣刨料掺量为30%时，即铣刨细集料+天然粗集料的掺配方式对抗压强度的增加最大，同时干缩系数最小；随着铣刨料掺量的增加，干缩系数逐渐升高，所以铣刨料的增加会一定程度上导致混合料干缩系数的增加；从表中还可以看出纤维掺量并不是越高越好，当掺量达到最优后，再增加纤维的掺量会导致混合料的抗压强度和干缩性能的下降；纤维长度为25 mm时，增强效果最为显著，若纤维长度继续增大,会导致其在水泥稳定碎石材料中分散性降低，容易聚团，进而导致其增强效果增加缓慢甚至降低[15]。

图1 各因素对抗压强度的影响Fig.1 Influence of the factors on compressive strength

图2 各因素对干缩系数的影响Fig.2 Influence of the factors on shrinkage coefficient

4.3 试验结果方差分析

直观分析虽然可以直观的分析出试验的最优配比，但是不能估计试验过程以及结果测定中必然存在的误差大小，同时也不容易判断出试验各因素对试验指标影响的显著程度，因此采用方差分析法，目的就是将试验误差所引起的结果差异与因素水平的改变所引起的结果差异区别开，抗压强度方差分析见表10,干缩系数方差分析见表11。

在判断F比时，信度α是指我们对作出的判断大概有1-α的把握。α不是一个固定的数字，其值越小，表示在相应的F在做判断时，出错的可能性越小。例如在表9中，就铣刨料掺量来说，当F比=2.836>F0.15(2,6)=2.65时，说明铣刨料掺量这一因素水平的改变对玄武岩纤维水泥稳定混合料的抗压强度有显著影响的可信度为85%，对于不同的信度α，有不同的F分布表，常用的α有0.05、0.1、0.15、0.2等，根据自由度的大小，可在各种信度的F表中查得F比的临界值，然后再将其与各因素的F值进行比较，可得到其元素的显著性。

表10 玄武岩纤维水泥稳定铣刨料抗压强度方差分析表Tab.10 Variance analysis of compressive strength of basalt fiber cement sTabilized milling material

表11 玄武岩纤维水泥稳定铣刨料干缩系数方差分析表Tab.11 Variance analysis of dry shrinkage coefficient of basalt fiber cement sTabilized milling material

从表10中通过合并误差列，并经过显著性检验，可以看出铣刨料掺量对抗压强度影响显著，其次是纤维掺量，纤维长度影响最不显著；从方差表11可以看出，铣刨料掺量对干缩系数有相对比较显著的影响，其F值=2.89>F0.15(2,6)=2.65，它对混合料的干缩性能显著性程度有85%的保证率，这些都与直观分析结果符合。

因此，铣刨料掺量对水泥稳定混合料的抗压强度和干缩系数的影响要比纤维掺量和纤维长度显著，对各水平以及最佳配合比中各因素影响的重要程度排序，通过误差分析，对次要元素弱化处理，从而得出对两个试验指标影响下的最佳配比：A2B3C1，这与直观分析的结果相符。

4.4 不同龄期混合料的抗压强度和干缩性能结果及分析

FCRA、CRA和CNA三组试件在不同龄期下的抗压强度和干缩系数进行对比分析，其试验结果见表12。

表12 不同龄期混合料的抗压强度和干缩系数试验结果Tab.12 Test results of compressive strength and dry shrinkage coefficient of different age mixtures

由表12、图3可知：

1)当铣刨料掺量为30%，也就是用铣刨料替代天然细集料时，CRA各龄期的抗压强度高于CNA，并且这种强度优势在早期表现的更为明显。主要原因是：水泥稳定碎石在早期强度还未完全形成，铣刨细集料中含有一定的未水化水泥砂浆等活性物质，可与水泥再次发生水化反应；而天然粗集料的颗粒形状接近球形或者立方体形较好，天然粗集料比铣刨粗集料的针片状颗粒含量的针片状颗粒含量高，骨架结构更加密实。因此，当用铣刨料替代天然细集料时，抗压强度有所提高，并且早期强度优势较明显。

图3 混合料抗压强度随龄期变化Fig.3 Compressive strength of mixture variation with age

2)由于纤维的掺入，水泥稳定铣刨料的各龄期的抗压强度均有提高，其原因是：将一定量的玄武岩纤维掺入水泥稳定铣刨料中后，在混合料内部形成三维乱象网状体系，这种体系可以起到承托集料、协同集料的作用，类似起到一个加强的作用，当混合料基体收到外力作用时，基体将一部分作用传递给纤维，纤维发生变形，消耗部分应力，提高混合料的抗压强度。

由表12、图4可知：由于铣刨细集料的掺入，水泥稳定铣刨料的干缩系数显然大于普通水泥稳定碎石，这是因为铣刨集料的需水量大，失水率也大，导致与天然集料相比，干缩系数较大。玄武岩纤维的掺入，使水泥稳定铣刨料的最终干缩系数降低11%左右，接近于普通水泥稳定碎石。其机理解释为：玄武岩纤维使试件的失水面积有所减小，从而使试件毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减小,同时由于纤维与基体之间产生的连接力、机械啮合力以及大量纤维丝乱向分布形成的网状支撑体系的共同作用,有效的约束了基体内混合料与胶凝物的干缩形变，进而形成了掺入玄武岩纤维的玄武岩纤维水泥稳定铣刨料试件比水泥稳定铣刨料试件干缩系数和干缩应变均有较大幅度减小的现象[16]，在最终稳定的干缩系数接近于普通水泥稳定碎石试件。因此，掺入玄武岩纤维能够一定的减少水泥稳定铣刨料的干缩开裂。

图4 混合料干缩系数随龄期变化Fig.4 Dry shrinkage coefficient of mixture variation with age

5 结论

1)对玄武岩纤维水泥稳定铣刨料的抗压强度和干缩性能按影响显著效果的排序均为：铣刨料掺量→纤维掺量→纤维长度。

2)两个试验指标条件下玄武岩纤维水泥稳定铣刨料的最优配比为A2B3C1，即玄武岩纤维体积掺量为0.8‰、纤维长度为25 mm、铣刨料掺量为30%铣刨细集料+70%天然粗集料。

3)掺入玄武岩纤维不仅能够提高水泥稳定铣刨料的抗压强度，还能使水泥稳定铣刨的干缩系数有效降低，接近于普通水泥稳定碎石，可以减少水泥稳定铣刨料基层的干缩开裂。